Σάββατο 24 Ιούλη 2021 - Κυριακή 25 Ιούλη 2021
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Σελίδα 28
ΕΠΙΣΤΗΜΗ

ΠΟΙΚΙΛΗΣ ΥΛΗΣ - ΕΠΙΣΤΗΜΗ
ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΤΥΧΟΓΡΑΦΙΑΣ
Η υψηλότερης ανάλυσης εικόνα ατόμων της ύλης που λήφθηκε ποτέ!

Ατομα της κρυσταλλικής χημικής ένωσης ορθοσκανδικό πρασεοδύμιο, μεγεθυμένα 100 εκατομμύρια φορές, με την τεχνική μικροσκοπίας που ονομάζεται ηλεκτρονική πτυχογραφία
Ατομα της κρυσταλλικής χημικής ένωσης ορθοσκανδικό πρασεοδύμιο, μεγεθυμένα 100 εκατομμύρια φορές, με την τεχνική μικροσκοπίας που ονομάζεται ηλεκτρονική πτυχογραφία
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Κορνέλ κατέγραψαν την υψηλότερης ανάλυσης εικόνα ατόμων της ύλης που έχει ληφθεί ποτέ, και μάλιστα διπλάσιας ανάλυσης από εκείνη που είχαν πετύχει οι ίδιοι το 2018. Χρησιμοποιώντας ειδικό μικροσκόπιο μεγέθυναν ένα δείγμα από κρύσταλλο ορθοσκανδικού πρασεοδύμιου (PrScO3) εκατό εκατομμύρια φορές! Το σκάνδιο και το πρασεοδύμιο είναι μεταλλικά στοιχεία, με το πρώτο να κατατάσσεται στον περιοδικό πίνακα στα στοιχεία μετάπτωσης και το δεύτερο στις λανθανίδες.

Την εικόνα των ατόμων τη σχημάτισαν χρησιμοποιώντας την τεχνική της ηλεκτρονικής πτυχογραφίας, κατά την οποία το δείγμα βομβαρδίζεται από μια ακτίνα ηλεκτρονίων με ρυθμό ενός δισεκατομμυρίου ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο. Η ακτίνα μετακινείται ανεπαίσθητα καθώς τα ηλεκτρόνια βρίσκουν τον στόχο, χτυπώντας τον έτσι από ελαφρώς διαφορετικές γωνίες. Μερικές φορές περνούν μέσα από τον στόχο και βγαίνουν από την άλλη μεριά, και άλλες φορές προσκρούουν πάνω σε άτομα και αναπηδούν μέσα στο δείγμα μέχρι να βρουν διέξοδο. Ειδικοί ανιχνευτές υψηλής τεχνολογίας καταγράφουν τις εξόδους των ηλεκτρονίων. Τελικά, η αποτύπωση των σημείων εξόδου των δισεκατομμυρίων ηλεκτρονίων σχηματίζει ένα μοτίβο που αναλύεται από αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, οι οποίοι υπολογίζουν πού βρίσκονταν τα άτομα που οδήγησαν στις ανακλάσεις και τι σχήμα είχαν αυτά τα άτομα.

Τρισδιάστατη

Μέχρι πρόσφατα η ηλεκτρονική πτυχογραφία είχε χρησιμοποιηθεί μόνο για την απεικόνιση απολύτως επίπεδων δειγμάτων, πάχους μόλις μερικών ατόμων. Η νέα έρευνα επιτρέπει την καταγραφή πολλαπλών στρωμάτων, πάχους δεκάδων έως εκατοντάδων ατόμων, κάνοντάς την πιο χρήσιμη στους ερευνητές της επιστήμης των υλικών, που συνήθως μελετούν τις ιδιότητες δειγμάτων πάχους περίπου 30 έως 50 νανόμετρων (δισεκατομμυριοστών του μέτρου). Το μήκος αυτό είναι μικρότερο από όσο μακραίνουν τα νύχια του ανθρώπου στη διάρκεια ενός λεπτού, αλλά πολλές φορές μεγαλύτερο από αυτό που μπορούσε να απεικονίσει στο παρελθόν η ηλεκτρονική πτυχογραφία.

Η νέα εξέλιξη αποτελεί σημαντικό ορόσημο στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Τα τυπικά ηλεκτρονικά μικροσκόπια, που ανακαλύφθηκαν στη δεκαετία του 1930, επιτρέπουν τη μελέτη αντικειμένων όπως οι ιοί της πολυομυελίτιδας, που είναι μικρότεροι από τα μήκη κύματος του ορατού φωτός και γι' αυτό αδύνατο να μελετηθούν με οπτικά μικροσκόπια. Αλλά και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια είχαν ένα όριο: Για να αυξηθεί η ανάλυση (μεγέθυνση) χρειαζόταν να αυξηθεί η ενέργεια της ακτίνας ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα να γίνεται τόσο μεγάλη που να καταστρέφει το δείγμα. Μια εναλλακτική ήταν η πτυχογραφία, την οποία οι ερευνητές ανέπτυξαν στη θεωρία κατά τη δεκαετία του 1960. Επειδή όμως την εποχή εκείνη υπήρχαν σοβαροί περιορισμοί στις δυνατότητες των ανιχνευτών, αλλά και στην υπολογιστική ισχύ που απαιτείται, καθώς τα μαθηματικά της πτυχογραφίας είναι πολύ περίπλοκα, χρειάστηκε να περάσουν δεκαετίες πριν η τεχνική αυτή μπορέσει να εφαρμοστεί στην πράξη. Οι πρώτες εκδοχές πτυχογραφίας δούλευαν με ορατό φως ή ακτίνες Χ, όχι με ακτίνες ηλεκτρονίων που απαιτούνται ώστε να απεικονιστεί κάτι τόσο μικρό όσο τα άτομα. Στο μεταξύ, οι επιστήμονες συνέχιζαν να βρίσκουν τρόπους βελτίωσης των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, τόσο αποτελεσματικούς που η πτυχογραφία παρέμενε στο περιθώριο.

Πολλαπλή σκέδαση

Μόλις το 2018, όταν ο φυσικός Ντέιβιντ Μίλερ και η ομάδα του ανέπτυξαν έναν αρκετά καλό ανιχνευτή, μπόρεσαν να εφαρμόσουν την ηλεκτρονική πτυχογραφία και να καταγράψουν την ατομική δομή ενός επίπεδου δείγματος, χρησιμοποιώντας ακτίνες χαμηλότερης ενέργειας, που τους επέτρεπαν να διατηρούν καλύτερα τα δείγματα που χρησιμοποιούσαν.

Τα παχύτερα δείγματα, ωστόσο, παρουσίαζαν πολλαπλές δυσκολίες. Σε αυτά ένα ηλεκτρόνιο, αντί να αναπηδήσει μόνο μια φορά πριν ανιχνευτεί, αναπηδά πολλές φορές, σαν την μπάλα σε φλιπεράκι, φαινόμενο που ονομάζεται «πρόβλημα πολλαπλής σκέδασης». Με αρκετά αλληλεπικαλυπτόμενα σημεία εξόδου (από την ανάκλαση πολλών ηλεκτρονίων) και ικανή υπολογιστική δύναμη, οι ερευνητές κατάφεραν να εφαρμόσουν αντίστροφη μηχανική στην πορεία των ηλεκτρονίων, ώστε να προσδιορίσουν ποια διάταξη ατόμων παρήγαγε ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Για να το πετύχουν ρύθμιζαν προσεκτικά το μοντέλο τους, μέχρι να παράξει ένα μοτίβο που ταίριαζε με το πειραματικά παρατηρούμενο μοτίβο. Η ομάδα του Κορνέλ μπορεί να αναλύσει έτσι δείγματα πάχους μέχρι 300 ατόμων, δύο έως τέσσερις φορές πιο παχιά από την τεχνική μικροσκοπίας οποιασδήποτε άλλης ερευνητικής ομάδας.

Ημιαγωγοί και μπαταρίες

Τεχνικές απεικόνισης τόσο υψηλής ανάλυσης είναι απαραίτητες για την παραπέρα ανάπτυξη των ηλεκτρονικών συσκευών. Για παράδειγμα, οι ερευνητές που προσπαθούν να προχωρήσουν πέρα από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου, αναζητώντας πιο αποδοτικούς ημιαγωγούς, χρειάζεται να ξέρουν το υλικό με το οποίο δουλεύουν σε ατομικό επίπεδο και αυτό σημαίνει την αξιοποίηση τεχνολογιών όπως η ηλεκτρονική πτυχογραφία.

Οι μπαταρίες είναι ένα ιδιαίτερα υποσχόμενο πεδίο εφαρμογής τεχνικών απεικόνισης, όπως η ηλεκτρονική πτυχογραφία, καθώς απαιτείται πολύ ακριβής αντίληψη της δομής τους και των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε αυτές, ώστε να μπορούν να αποθηκεύσουν πολλή ενέργεια και ταυτόχρονα να είναι ασφαλείς στη χρήση τους. Η κατασκευή τέτοιων μπαταριών θα έκανε πολύ πιο αποτελεσματική την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά συστήματα, επιτρέποντας την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας για χρήση όταν ο άνεμος δεν φυσά ή ο ήλιος δεν λάμπει.

Παρ' όλα αυτά, υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος να διανυθεί. Για να μπορέσει η ηλεκτρονική πτυχογραφία να οδηγήσει σε κάποια επαναστατική εξέλιξη με αντίκρισμα στην καθημερινότητα, π.χ. στα κινητά τηλέφωνα ή στα λάπτοπ, πρέπει να μπορεί να κάνει περισσότερα από τη λήψη μιας φωτογραφίας. Πρέπει να μπορεί να εντοπίσει ένα μεμονωμένο άτομο μέσα σε ένα υλικό. Αν και οι ερευνητές έδειξαν πως η τεχνική τους μπορεί να πετύχει κάτι τέτοιο θεωρητικά, δεν έχουν πραγματοποιήσει ακόμα κάποια πειραματική επίδειξη. Από την άλλη μεριά, η ανακάλυψη ενός νέου εργαλείου, όπως το υψηλής ανάλυσης μικροσκόπιο ηλεκτρονικής πτυχογραφίας, μπορεί να οδηγήσει σε εκπλήξεις ως προς το τι μπορεί να ανακαλυφθεί χρησιμοποιώντας το. Οπως λέει ο φυσικός Ρότζερ Φαλκόνε, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, «οι άνθρωποι θα δουν με αυτό πράγματα που δεν μπορούμε να φανταστούμε και θα λύσουν προβλήματα που δεν ξέρουμε ακόμα ότι υπάρχουν».


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»




Διαβάστε στο «Ρ»

Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org